白腐真菌对重金属的吸附富集特性及其重金属耐受性和抗性机制研究

发布时间：2018-03-12 07:16

  本文选题：白腐真菌　切入点：重金属　出处：《湖南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：社会的发展导致越来越多的污染物质排放到环境中,其中重金属排放与污染问题尤其严重。重金属是重要的环境污染物质,不能被生物降解,可在各环境介质间循环运动,形成对环境的永久性污染,严重危害生态环境。生物吸附技术,尤其是以微生物作为重金属的生物吸附剂以缓解重金属毒性或从废水中回收有用的重金属得到了越来越多的关注。但是,在重金属处理过程中,微生物细胞长期暴露于各种浓度的重金属环境中,不可避免地对菌体细胞的生长生理生化等诸方面产生影响,某些微生物仍能在重金属胁迫环境中存活或生长,表现出对金属的抗性,有些微生物还通过生物转化作用或生理代谢活动使金属由高毒状态变为低毒状态。因此,研究重金属处理过程中微生物细胞与重金属的相互作用,不仅对探索微生物细胞抵御重金属离子损伤效应的微观机理、调控应用过程中微生物的生物效应具有非常重要的意义,而且可为提高处理效率以及微生物对各种环境介质中重金属的处理能力、经济有效地将微生物应用于重金属污染废水或底泥等水环境的生物修复提供理论借鉴。白腐真菌由于其降解高效性、适用性强的特点,在重金属及有机物处理领域得到了广泛关注。因此,本研究选用白腐真菌的模式菌种黄孢原毛平革菌为研究对象,选择对黄孢原毛平革菌毒性较大的重金属Cd为胁迫介质,探讨Cd处理过程中黄孢原毛平革菌的生物量、形态、代谢活性及生化过程等方面的影响,并考察黄孢原毛平革菌为响应重金属毒性而产生的一系列抗性行为机制,全面系统地研究Cd胁迫过程中的细胞损伤效应以及黄孢原毛平革菌对重金属离子的耐受性和抗性系统的组成与响应机制。本文的具体研究工作及成果包括以下4个部分内容:第1部分为黄孢原毛平革菌对重金属的吸附富集特性及其固定化技术在废水处理中的应用研究。研究了黄孢原毛平革菌成熟菌体对Pb和Cd的吸附情况,发现白腐真菌能有效吸附和富集重金属,但是吸附效率有限。利用磁性纳米和海藻酸钙共固定化黄孢原毛平革菌实验发现,固定化技术增加了菌丝的机械强度和稳定性,强化了吸附剂的处理效率。黄孢原毛平革菌在重金属废水处理领域的可应用性研究是后续交互作用研究的重要基础。第2部分为Cd胁迫过程中黄孢原毛平革菌的生理毒性效应及氧化损伤效应研究。重金属废水处理过程中,由于白腐真菌长期暴露于重金属离子中,受到刺激的白腐真菌会产生应激反应,但应激反应的持续或过度进行均会对细胞造成损伤,进而影响处理效率。因此对废水处理过程中白腐真菌毒性效应的分析与评价是本研究的一个关键问题。实验建立了不同浓度Cd存在下(0、20、50、100 mg/L)黄孢原毛平革菌的生长体系,测定了黄孢原毛平革菌的生物量和细胞外木质素过氧化物酶(lip和mnp)活性,重点研究cd胁迫过程中菌体内h2o2水平和脂膜过氧化产物丙二醛mda的变化情况,在此基础上得到了重金属富集含量与氧化损伤之间的剂量-效应曲线。结果表明cd在菌体内的富集是导致其毒性的直接原因,cd富集可影响菌体的生长代谢过程,并诱导生物体内产生活性氧,破坏活性氧生成与清除机制的动态平衡,造成氧化损伤。实验结果阐明了重金属胁迫条件下黄孢原毛平革菌的细胞损伤类型与损伤程度,可以为全面评价重金属污染对微生物的毒性提供理论依据,对进一步更好的确定重金属毒性指标具有重要的理论价值与现实意义。第3部分着重研究了黄孢原毛平革菌对重金属胁迫的耐受性和抗性机制。(1)研究黄孢原毛平革菌胞外草酸在cd胁迫中的作用过程,探讨黄孢原毛平革菌细胞外络合机制在重金属胁迫过程中的响应机制。发现cd胁迫条件会诱导黄孢原毛平革菌细胞外草酸的合成与分泌,同时分析发现草酸浓度与黄孢原毛平革菌生长抑制率呈负相关。外源草酸添加可以促进菌体对cd的吸附,同时实验证实胞外草酸的络合作用是黄孢原毛平革菌对cd耐受和解毒的原因之一,草酸可与金属形成不溶性的草酸盐沉淀,降低重金属的活度和移动性,达到体外解毒的目的。(2)系统研究了黄孢原毛平革菌细胞内抗氧化系统的组成及其在重金属胁迫过程中的响应机制,重点考察了黄孢原毛平革菌细胞内抗氧化酶的细胞应激保护作用以及抗氧化分子的调控作用机理。发现在cd处理过程中,cd富集导致的活性氧水平上升可以显著诱导菌体内抗氧化酶和小分子抗氧化物质的合成与分泌,cd胁迫下三种抗氧化酶(超氧化歧化酶sod、过氧化氢酶cat、谷胱甘肽过氧化物酶gsh-px)活性增加以清除细胞内富集的活性氧;同时活性氧分子可作为伤害信号诱导细胞内小分子抗氧化物质的合成,小分子抗氧化物质(谷胱甘肽gsh、多酚类phenolic、抗坏血酸asc)含量表现出先升高后降低的趋势,抗氧化分子不断消耗以清除细胞内过量的活性氧,维持细胞的氧化还原状态。(3)研究谷胱甘肽gsh作为重金属络合物在重金属解毒过程中的作用机制。pb富集条件下,谷胱甘肽浓度变化很小(0.72-0.84μmol),但是cd胁迫使得谷胱甘肽的浓度变化在0.37μmol范围内。通过分析hno3提取过程中释放的gsh与菌体富集的pb和cd的浓度相关性发现,gsh释放量与cd的富集呈正比,而与pb富集无明显的相关性。此外,pb/gsh的摩尔比在0.10至0.18范围内,cd/gsh的摩尔比在1.53-3.32范围内,说明黄孢原毛平革菌体系中gsh对cd有更强的螯合能力,可将有毒金属离子封闭或转变成为低毒的形式,在cd胁迫条件下,gsh迅速消耗,gsh可作为螯合剂参与到cd的解毒机制中。因此,研究谷胱甘肽的代谢及其在缓解重金属毒性方面的作用可以为提高微生物应用于重金属处理提供重要信息。第4部分是在前3部分的研究基础上着重开展黄孢原毛平革菌堆肥化处理重金属-有机物复合污染底泥的应用研究。堆肥技术是一项经济有效的有机固体废物处理与资源化利用技术,实验发现接种黄孢原毛平革菌可以加速堆肥过程中cd的形态转化和壬基酚的降解,堆肥30天后可实现壬基酚的完全降解,Cd由可交换态向残渣态转化过程明显,说明接种黄孢原毛平革菌可强化堆肥处理技术对重金属和有机物的处理处置。本论文系统研究了重金属处理过程中重金属与黄孢原毛平革菌的交互作用,不仅对探索黄孢原毛平革菌抵御重金属离子损伤效应的微观机理、调控处理过程中微生物的生物效应具有非常重要的意义,而且为提高其处理效率以及微生物对环境中重金属的处理能力、经济有效地将黄孢原毛平革菌或其他耐重金属功能微生物应用于重金属污染水体和底泥的生物修复提供理论借鉴。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X172
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本文编号：1600535